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用于光束多参量探测的广义Hartmann-Shack超表面透镜阵列

发布时间：2020-04-22 17:27:27 阅读次数：1159

导读

同时获得光束的振幅、相位和偏振信息是一项非常有意义的工作。本工作中，华中科技大学光学与电子信息学院杨振宇教授团队和武汉光电国家研究中心夏金松教授团队合作研究，创建了一个广义的Hartmann-Shack超表面透镜阵列，不仅能够测量光束的振幅和相位梯度分布，而且可同时测量空间偏振分布。研究人员成功地制备出了基于硅（Silicon）超表面材料的多光学参量成像芯片，该芯片是由偏振敏感的超表面透镜阵列所构成，其数值孔径为0.32，平均聚焦效率为28%，工作波长为1550 nm，可以实时完成光束振幅、相位、偏振态的二维测量，且具有良好的测量精度。研究人员利用该芯片对18种不同偏振态的光进行了测量，也对不同矢量光束与涡旋光束也进行了探测，实验结果与理论值吻合得很好，验证了该芯片具备对于复杂相位、偏振态分布的探测能力。这种超表面透镜阵列具有工艺简单、系统集成度高的优点，其将会在诸多光学探测、成像等领域有令人期待的应用前景。相关成果以“Generalized Hartmann-Shack array of dielectric metalens sub-arrays for polarimetric beam profiling”为题，发表在期刊 Nature Communications 上。

研究背景

自从150多年前麦克斯韦预言光是一种电磁波开始，人们就认识到了：振幅、偏振、相位、频率是光波的基本参量，但如同我们的眼睛一样，目前的光探测器只能感知光的强度，而无法直接感知偏振与相位。因此人们大都需要在光探测器前增加一些元件，例如，传统偏振态探测系统需要在CCD前增加偏振片和四分之一波片；传统的Hartmann-Shack波前探测系统需要在CCD前增加微透镜阵列。这不仅增加了系统的重量、体积与复杂性，进而也带来了系统集成的难度。随着未来高性能、便携式、可穿戴光学设备与系统的发展，人们越来越期望具有小尺寸、低重量和多重功能的偏振态、波前光学探测系统。近年来，亚波长的介质超表面材料越来越受到人们的重视，由于其能够对光波的振幅、相位、偏振进行灵活的调控，且损耗小，因此成为了解决上述挑战的最有希望的途径。

研究内容

本文构建的广义Hartmann-Shack光束多参量探测系统如图1所示，由两个主要部分组成：超透镜（metalens）阵列和一个标准相机，所有超透镜都成像在该相机的焦平面上。超透镜阵列的每个像素都是由六个不同超透镜组成的子阵列。每一个超透镜都聚焦一个特定的偏振态。用以重构四个Stokes参数s₀，s₁，s₂和s₃。

图1.广义Hartmann-Shack光束多参量探测系统。

图2(a)所示的是所有超透镜的单位元素是椭圆形的硅柱，其高度为340 nm，长轴D_x和短轴D_y分别放置在二氧化硅层上。它们排列在晶格常数为a=1500 nm的方格上。首先考虑一个简单的周期性晶格。图2(b)和(c)分别表示它的强度透过率和相移φ与D_x和D_y的关系，使用有限差分时域（FDTD）方法进行了数值计算。这里考虑正入射的沿x方向的线偏振光。图2(d)所示为超表面透镜阵列光学显微照片。在扫描电子显微下的照片如图2(e)-(g)所示，证明了该结构的高质量。每个超透镜面积为22.5 μm²，该阵列数值孔径为0.32。

图2.超透镜阵列的设计。(a) 单个透镜单元的示意图。(b)、(c)在正入射情况下，超透镜单元对于简单周期性阵列的x方向线偏振光的计算强度透射率和相移。在(Dx = 1350 nm，Dy = 480 nm)处的白色圆圈突出显示了工作中对应于圆偏振光的超透镜的结构参数。(d)制成的超透镜阵列的光学显微照片。比例尺为50 μm。(e)超透镜阵列相应的放大电子显微照片。比例尺为5 μm。(f)、(g)选定部分的斜视图和进一步放大的视图，示出了硅椭圆柱(对比图(a))。比例尺为500 nm。

为了验证该系统的相关性能，进行了18种不同入射偏振光的实验。图3(a)-(f)示出了针对六个选定的不同偏振情况，超透镜阵列的一个像素的强度分布的原始数据。在图3(g)的庞加莱球上比较了原始入射光和重建后的Stokes参数，两者的平均相对偏差小至4.83％。这些结果表明，超透镜阵列的每个像素都可以可靠地确定光的偏振态。

图3.仅用超透镜阵列的一个像素进行旋光法的实验验证。(a)–(f)水平或垂直线性偏振（“ x”和“ y”），对角线性偏振（“ a”和“ b”）以及圆偏振（“ l”和“ r”）光入射时的焦点图像。比例尺为10 μm。(g)利用庞加莱球比较理论（小圆圈）和实验重建（星号）斯托克斯参数s₁，s₂和s₃。

在第二组实验中，用两个矢量光（即径向矢量光和角向矢量光）测试该系统的相关性能。图4(a)、4(b)示出了直接入射到相机上的这两个入射光束的光束强度分布。将超透镜阵列插入相机的前面，分别获得如图4(c)、4(d)所示的原始光斑阵列，该阵列由5×10个像素组成。根据原始数据中，可计算出偏振角度分布。理论和实验结果分别由图4(e)、4(f)中的红色和黑色箭头表示。

图4.超透镜阵列对矢量光束进行分析。

为了验证该系统的相位分析能力，实验中使用简单的倾斜波阵面，其相对于表面法线的倾斜角度范围为0到18度。结果原始数据如图5(a)-(c)所示。光斑中心相对于光轴的位移（用虚线叉表示）清晰可见。绘制出入射光的相位梯度曲线，并与图5(d)中的计算值进行比较。很明显，如果入射角小于5°，则测量值与理论值非常吻合（相对误差：〜1.05％），否则，误差会增加（入射角18°的相对误差：〜16.0％）。导致这一现象的原因是超透镜阵列像差随入射角增加而增加。

图5.超透镜阵列进行波前检测的实验验证。

接下来的实验进一步演示了该系统针对涡旋光波前的探测，实验中使用的涡旋光拓扑荷为3。在此实验中，超透镜阵列由7 × 4像素组成。图6(a)示出了直接入射到相机而没有经过超透镜阵列的入射光束的强度曲线。图6(b)示出了超透镜阵列焦点的原始数据，图6(c)示出了测量得到的涡旋光相位梯度曲线（参见箭头）。

图6.超透镜阵列对涡旋光束进行分析。

以上实验验证了该系统对于光束振幅、偏振、相位等多参量的探测能力。

研究总结

综上所述，本文展示了一种基于介电超表面透镜阵列的光学系统，不仅可以测量光束的相位梯度分布（作为传统Hartmann-Shack波前探测功能），而且还可以同时测量光束的偏振分布。该超表面透镜阵列的制备工艺简单，与CMOS工艺相兼容。另外，该工作虽然针对1550 nm波长，但其方法也可以拓展到其他波段。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07056-6#Abs1

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